il contesto tecnologico white spaces e sistemi radio cognitivi
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Il contesto tecnologico
White Spaces e sistemiradio cognitivi
Alberto Perotti, Sergio Benco, Floriana CrespiIntegrated Networks Lab R&D Department, CSP
Outline
� Uso opportunistico dello spettro esistemi radio cognitivi
� Le funzioni principali
� Le osservazioni
� Gli sviluppi in CSP
� Un’architettura cooperativa per l’utilizzo dei white spaces
CSP Plenary Meeting 2011 - INLab 2White Spaces - aspetti tecnologici
Outline
� Uso opportunistico dello spettro esistemi radio cognitivi
� Le funzioni principali
� Le osservazioni
� Gli sviluppi in CSP
� Un’architettura cooperativa per l’utilizzo dei white spaces
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Uso opportunistico dello spettro
� Opportunità trasmissive
� Canali di comunicazione che, in una data area e per un dato intervallo di tempo, non risultano utilizzati
� ...da utenti che effettuano trasmissioni in bande non soggette a concessione di licenza
� ...da utenti che hanno acquisito la licenza di trasmettere –primary users (PU) – ma, per varie ragioni, non lo fanno
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Tratto da:L. Tong, Cornell Univ.ICSSC 2008
Uso opportunistico dello spettro
� Opportunità trasmissive
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Tratto da C. Cordeiro et al.,“IEEE 802.22: An Introduction to the First Wireless Standard based on Cognitive Radios,”Journal of Communications, VOL. 1, NO. 1, Apr 2006.
Sistemi radio cognitivi
� Sistemi radio cognitivi� acquisire conoscenza sull’utilizzo dei canali di
radiocomunicazione in prossimità dell’area in cui si opera� impiegare tecniche trasmissive opportune
� ...al fine di favorire la coesistenza� tra i sistemi primari ed i sistemi cognitivi: secondary users (SU)� tra un sistema cognitivo ed altri sistemi cognitivi eventualmente operanti
nella stessa area e nelle stesse bande
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Tratto da:L. Tong, Cornell Univ.ICSSC 2008
Sistemi radio cognitivi
� Possibili architetture
� Sistemi basati su infrastruttura (IEEE 802.22 cognitive wireless regional area network – WRAN)
� Struttura formata da base station (BS) ed apparati d’utente
� La BS coordina le operazioni di trasmissione all’interno della cella
� Possono/devono accedere a data base georeferenziati contenenti informazioni relative alle trasmissioni
� Sistemi autonomi� Si basano esclusivamente su ossevazioni locali (sensing
autonomo)� Possono scambiarsi le informazioni di sensing mediante
un canale di controllo (sensing distribuito)
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Sistemi radio cognitivi
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White Spaces BS
WSD
Backhaulconnection
WSD
WSD
WLAN
Infrasctructure-based WS system
Autonomous WS system
WLAN AP
router Cable conn.
WSD
WSD
Outline
� Uso opportunistico dello spettro esistemi radio cognitivi
� Le funzioni principali
� Le osservazioni
� Gli sviluppi in CSP
� Un’architettura cooperativa per l’utilizzo dei white spaces
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Principali funzioni di un sistema CR
� Riferimento: lo standard IEEE 802.22� Approvato a fine 2010� Definisce un sistema di radiocomunicazione cognitivo punto-
multipunto per l’accesso radio alle reti dati (WRAN) in grado di operare come sistema secondario nelle bande destinate al broadcasting televisivo ed altre trasmissioni a bassa potenza
� Il sistema è formato da� una base station (BS)� uno o più customer premises equipment (CPE)
� Livello fisico� Codifica di canale e modulazione adattative ad elevata efficienza
spettrale (fino a 3.78 bits/s/Hz)� Modulazioni a portanti multiple (OFDM)� Accesso multiplo di tipo OFDMA� Tecniche di codifica di canale (FEC) ad elevate prestazioni
(turbo codici, LDPC)
� Livello MAC� Servizio di tipo punto-multipunto� Meccanismi per consentire la coesistenza con altre reti 802.22
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Schemi di comunicazione
� Confronto con lo standard 802.16 (WiMAX)� Codifica di canale e modulazione: simili alle
tecniche usate nel DVB-T
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Tratto da:C. R. Stevenson et al.,“IEEE 802.22: The First Cognitive RadioWireless Regional Area Network Standard,”IEEE Communications Magazine, Gennaio 2009.
Schemi di comunicazione
� Schemi di codifica e modulazione� QPSK � 64QAM, code rate: 1/2 � 5/6
� Velocità di trasmissione (canale di 6 MHz):� 4.54 Mbits/s � 22.69 Mbits/s
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Tratto da:C. R. Stevenson et al.,“IEEE 802.22: The First Cognitive RadioWireless Regional Area Network Standard,”IEEE Communications Magazine, Gennaio 2009.
Principali funzioni di un sistema CR
� Funzioni cognitive
� Coordinate dallo Spectrum Manager (lato BS)
� La BS deve conoscere la propria posizione e al posizione di tutti i CPE che fanno parte della rete
� Sistema di radiolocalizzazione, sia alla BS che al CPE
� La BS deve avere accesso ad un data base contenente � Informazioni relative alle trasmissioni primarie� Informazioni relative ad altri sistemi 802.22 operanti
nella stessa nell’area
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Gestione dello spettro
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Tratto da:C. R. Stevenson et al.,“IEEE 802.22: The First Cognitive RadioWireless Regional Area Network Standard,”IEEE Communications Magazine, Gennaio 2009.
Gestione dello spettro
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Tratto da C. Cordeiro et al.,“IEEE 802.22: An Introduction to the First Wireless Standard based on Cognitive Radios,”Journal of Communications, VOL. 1, NO. 1, Apr 2006.
� Bandwidth aggregation(channel bonding)
� Il sistema WRAN può operare nel canale N solo se il canale N-1 ed il canale N+1 sono bianchi.
� È possibile aggregare canali non contigui
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� Uso opportunistico dello spettro esistemi radio cognitivi
� Le funzioni principali
� Le osservazioni
� Gli sviluppi in CSP
� Un’architettura cooperativa per l’utilizzo dei white spaces
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Campagna di misure dello spettro radio nelle bande UHF televisive (Usseglio)
Le osservazioni
Intervallo di frequenze:470-862 MHz (canale 21-69 banda UHF)
Strumentazione:analizzatore di spettro R&S(Resolution BW: 10 KHz,Freq. span: 128 MHz)
Antenne: 1) Omnidirezionale (AN4786, 2dBi)2) Direttiva (LT-860, 70°V, 70°O, 9dBi)
Modulo CSP Spectrum Sensing DVB-T basato su USRP2
3rd site
Usseglio towersite
1st & 2nd
site
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Usseglio tower site measurements
Omnidirectional antenna (2 dBi), BW: 470-862 MHz
ch26 514 MHz
Eremo (TO)RAI MUX3
ch30 546 MHz
GermagnanoRAI MUX2
ch40 626 MHz
GermagnanoRAI MUX4
ch49 698 MHzCorio (TO)MEDIASETMUX4
Only channel 26 (RAI MUX3) could be received with acceptable quality by a portable DTV receiver (OMNI ANT)
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Usseglio tower site measurements(Log-periodic antenna, beamw.:70°, G=9 dBi)
Direction: North, Pol: Vert
Direction: North, Pol: Horiz
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Third site: Usseglio valley measurements (Log-periodic antenna, beamw.: 70°, G=9 dBi)
Direction: North, Pol: Vert
Direction: North, Pol: Horiz
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Third site: Usseglio valley measurements (Log-periodic antenna, beamw.: 70°, G=9 dBi)
Direction: West, Pol: Vert
Direction: West, Pol: Horiz
MUXRETEA1 MUX 4
Mediaset
White Spaces - aspetti tecnologici 22
Third site: Usseglio valley measurements (Log-periodic antenna, beamw.: 70°, G=9 dBi)
Direction: East, Pol: Vert
Direction: East, Pol: Horiz
White Spaces - aspetti tecnologici 23
Third site: Usseglio valley measurements (Log-periodic antenna, beamw.: 70°, G=9 dBi)
Direction: South, Pol: Vert
Direction: South, Pol: Horiz
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� Le osservazioni
� Gli sviluppi in CSP
� Un’architettura cooperativa per l’utilizzo dei white spaces
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Gli sviluppi in CSP
� Realizzazione di prototipi di sistemi e reti wirelesscognitive operanti nei white spaces
� Uso di software open-source come framework per lo sviluppo di librerie specifiche
� Uso di dispositivi a basso costo programmabili e riconfigurabili come front-end analogici a radiofrequenza per la realizzazione dei prototipi
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Gli sviluppi in CSP
� Un modulo di trasmissione e ricezione ad elevata efficienza spettrale
� Utilizza gli schemi di codifica di canale e modulazione del DVB-T, opportunamente modificati per la trasmissione a pacchetti
� Velocità di trasmissione stimata di oltre20 Mbit/s su una banda di 8 MHz
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Gli sviluppi in CSP
� Un modulo di spectrum sensing per la determinazione dell’occupazione dei canali DVB-T
� Utilizza algoritmi di rilevamento delle trasmissioni ad alte prestazioni basati sulle caratteristiche di ciclostazionarietà dei segnali OFDM usati nelle trasmissioni televisive digitali
� Consente, in certe condizioni, di rilevare trasmissioni DVB-T a livelli di 25 dB inferiori rispetto al livello minimo di segnaleconsentito per i ricevitori standard
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Gli sviluppi in CSP
� Un modulo di spectrum sensing per la determinazione dell’occupazione dei canali DVB-T
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White Spaces - aspetti tecnologici 29
PNEST = -93.03 dBm (USRP2)
Sensitivity = -110 dBm
Gli sviluppi in CSP
Prestazioni del sistema di spectrum sensing di CSP
SNR (PD=0.9) = -17 dBSymbols = 100Tdet= 112.00 ms + Tproc
Tratto da:S. Benco et al. (CSP – ICT Innovation),articolo presentato al worshop“Cognitive Radio and Networking forCooperative Coexistence of HeterogeneousWireless Networks” della COST Action 0902.
White Spaces - aspetti tecnologici 30
DVB-T Spectrum sensing usingSoftware Defined Radio: first results
-110dBmPD = 90%
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� Le funzioni principali
� Le osservazioni
� Gli sviluppi in CSP
� Un’architettura cooperativa per l’utilizzo dei white spaces
CSP Plenary Meeting 2011 - INLab 31White Spaces - aspetti tecnologici
Un’architettura cooperativa per l’utilizzo dei white spaces
� Al segnale televisivo (primario) che viene trasmesso mediante trasmetittori o ripetitori può essere sovrapposto, mediante opportune tecniche, un segnale in modo da formare un canale di segnalazione ausiliario a basso bit-rate
� La segnalazione ausiliaria viene usata per diffondere, insieme col segnale primario, le informazioni sulla eventuale disponibilità di white spaces nell’area servita
� La degradazione del segnale primario dovuta alla sovrapposizione della trasmissione ausiliaria viene compensata dalla maggiore potenza attribuita al segnale complessivo. In tal modo, la qualità percepita non viene ridotta.
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Un’architettura cooperativa per l’utilizzo dei white spaces
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Primary TX
DVB-TEncoder-modulator
Auxiliary signalling
Encoder-modulator
DVB-T receiver
Primary RX
EnhancedDVB-T receiverWS
transceiver
EnhancedDVB-T receiverWS transceiver
WLAN AP
WLAN
TV set
MPEGTS
Primary communication (broadcast)
Secondary communication
WLAN AP
router Cable conn.
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